ES2344832T3 - PROCESS OF TREATMENT OF FERRY ALLOY PARTS TO IMPROVE YOUR FROTANT PROPERTIES, WITHOUT LOSS OF HARDNESS OR DEFORMATION. - Google Patents
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Abstract
Description
Procedimiento de tratamiento de piezas de aleación ferrosa para mejorar sus propiedades frotantes, sin pérdida de su dureza ni deformación.Procedure for treating parts of Ferrous alloy to improve its rubbing properties, without loss of its hardness or deformation.
La presente invención se refiere a un procedimiento de tratamiento de piezas de aleación ferrosa para mejorar sus propiedades frotantes, principalmente su resistencia al gripado y al pegado, sin riesgo de pérdida de su dureza ni de deformación.The present invention relates to a Ferrous alloy parts treatment procedure for improve its rubbing properties, mainly its resistance to seized and glued, without risk of loss of hardness or deformation.
La invención se aplica a las piezas de acero o en fundición de altas características mecánicas, es decir, cuya temperatura de revenida es inferior a 200ºC.The invention applies to steel parts or in foundry of high mechanical characteristics, that is, whose Rising temperature is less than 200 ° C.
El experto en la técnica sabe que dos piezas de acero frotando, una contra la otra, en ausencia de lubricante van a gripar muy rápidamente. El experto en la técnica sabe también que el papel de los lubricantes consiste en separar las superficies en contacto por una película que favorece el deslizamiento y la eliminación de las calorías. La película de lubricante permite prevenir la aparición de las micro-soldaduras responsables del gripado y de la transferencia de materia.The person skilled in the art knows that two pieces of rubbing steel, against each other, in the absence of lubricant they will Flu very quickly. The person skilled in the art also knows that the role of lubricants is to separate the surfaces in contact for a film that favors slippage and calorie elimination The lubricant film allows prevent the appearance of micro-welds responsible for the flu and the transfer of matter.
Para ser eficaz, la película de lubricante debe tener un espesor superior a la altura de las rugosidades de superficie. El espesor de la película depende en gran parte de las propiedades físico-químicas superficiales y de la morfología de las superficies a escala microscópica. Sin embargo, el acero bruto de fabricación tiene características de superficie de tal modo que el espesor de las películas de lubricante sea generalmente insuficiente para asegurar una lubricación continua cuando las cargas o las velocidades se vuelven importantes.To be effective, the lubricant film must have a thickness greater than the roughness of surface. The thickness of the film depends largely on the surface physicochemical properties and the surface morphology on a microscopic scale. However the Raw steel manufacturing has surface characteristics of such that the thickness of the lubricant films is generally insufficient to ensure continuous lubrication when loads or speeds become important.
Se pusieron a punto algunos tratamientos de la superficie de los aceros con el fin de mejorar bien sea la absorción del lubricante o bien las características anti-soldadura o también las dos a la vez.Some treatments of the surface of the steels in order to improve well be the lubricant absorption or the characteristics anti-welding or both at the same time.
Se utilizan hoy en día dos categorías de tratamiento en la industria mecánica para mejorar la retención de lubricante: la fosfatación y la sulfuración a baja temperatura. La fosfatación está destinada principalmente a aumentar la resistencia al gripado de los contactos lubricados, la sulfuración confiere además propiedades de inhibición de soldadura a la superficie gracias a la formación de sulfuro de hierro (FeS hexagonal), y las propiedades anti-gripado son entonces superiores a las obtenidas con la fosfatación.Two categories of treatment in the mechanical industry to improve retention of lubricant: phosphation and low temperature sulfurization. The phosphating is primarily intended to increase resistance when lubricating the lubricated contacts, sulfurization confers furthermore surface welding inhibition properties thanks to the formation of iron sulfide (hexagonal FeS), and anti-seize properties are then superior to those obtained with phosphation.
Las propiedades físico-químicas de compuestos tal como el fosfato de hierro o el sulfuro de hierro son la causa del mejor fondeo de los lubricantes, siendo la energía superficial de estos constituyentes bien superior a la del acero. Estos constituyentes presentan por otro lado una baja resistencia al cizallamiento así como una excelente aptitud a la acomodación, lo que le permite mejorar las condiciones de rodaje y la resistencia al desgaste de los contactos sometidos a la fatiga de superficie.The physicochemical properties of compounds such as iron phosphate or iron sulphide they are the cause of the best anchoring of the lubricants, being the energy surface of these constituents well superior to that of steel. These constituents also have a low resistance to shear as well as an excellent aptitude for accommodation, what which allows you to improve taxiing conditions and resistance to wear of contacts subject to fatigue of surface.
La sulfuración electrolítica en sales fundidas en una salmuera se enseña en la solicitud de patente francesa nº 1.406.530.Electrolytic sulfuration in molten salts in a brine it is taught in French patent application no. 1,406,530.
La sulfuración a baja temperatura se realiza en una mezcla de sales fundidas a una temperatura en torno a 200ºC con la asistencia de una electrólisis anódica que conduce a la formación de sulfuro de hierro hexagonal FeS. Este último procedimiento se enseña en la solicitud de patente de la firma solicitante nº FR-A-2.050.754.Low temperature sulfurization is carried out in a mixture of molten salts at a temperature around 200 ° C with the assistance of an anodic electrolysis that leads to formation of FeS hexagonal iron sulfide. This last procedure is teaches in the patent application of the applicant firm no. FR-A-2,050,754.
Sin embargo, las piezas que incluyen un revestimiento según el estado de la técnica anterior no responden ya a las nuevas exigencias, en particular en lo que se refiere a los mecanismos empleados en las nuevas generaciones de motores de inyección directa.However, parts that include a coating according to the prior art do not respond already to the new requirements, in particular as regards the mechanisms used in the new generations of engines of direct injection.
Un objeto de la invención es obtener piezas de aleación ferrosa que tienen propiedades frotantes mejoradas en condiciones extremas de presión y de velocidad, principalmente su resistencia al gripado y al pegado sin pérdida de su dureza ni deformación.An object of the invention is to obtain pieces of ferrous alloy that have improved rubbing properties in extreme pressure and speed conditions, mainly its resistance to seizure and bonding without loss of hardness or deformation.
Este objeto, así como otros que aparecerán en la lectura de la siguiente descripción, se satisface por el procedimiento de la presente invención.This object, as well as others that will appear in the reading the following description, is satisfied by the procedure of the present invention.
La firma solicitante constató de manera sorprendente que para piezas de aleación ferrosa que incluyen un revestimiento de sulfuro de hierro, la dimensión fractal de la superficie del revestimiento de sulfuro de hierro desempeñaba un papel preponderante, y en cualquier caso mucho más influyente que el de la estequiometría, de la estructura cristalina o también de la pureza.The requesting firm verified surprising that for ferrous alloy parts that include a iron sulfide coating, the fractal dimension of the surface of the iron sulfide coating played a preponderant role, and in any case much more influential than the of stoichiometry, of the crystalline structure or also of the purity.
Por lo tanto, la firma solicitante puso a punto un procedimiento de obtención de una pieza de aleación ferrosa que soporta una carga de gripado muy elevada con una dispersión muy baja así como un elevado número de ciclos, que consiste en depositar sobre dicha pieza un revestimiento de sulfuro de hierro que tiene un espesor y una relación Fe/S apropiados, caracterizado porque se selecciona el revestimiento entre los que la superficie tenga una dimensión fractal al menos igual a 2,6.Therefore, the requesting firm set up a method of obtaining a ferrous alloy piece that withstands a very high seizure load with a very low dispersion as well as a high number of cycles, which consists of depositing on said piece an iron sulfide coating having a thickness and an appropriate Fe / S ratio, characterized in that select the coating between which the surface has a fractal dimension at least equal to 2.6.
Por ejemplo, las piezas obtenidas según el procedimiento de la presente invención soportan una carga de gripado según el ensayo con máquina FAVILLE LEVALLY según la norma ASTM-D-2670 al menos igual a aproximadamente 3000 daN con una tolerancia a lo sumo igual a aproximadamente 5% y un número de ciclos según el ensayo de Hamsler al menos igual a aproximadamente 300.For example, the pieces obtained according to the procedure of the present invention withstand a load of seizure according to the FAVILLE LEVALLY machine test according to the standard ASTM-D-2670 at least equal to approximately 3000 daN with a tolerance at most equal to approximately 5% and a number of cycles according to the Hamsler test at least equal to approximately 300.
El experto en la técnica determinará fácilmente el espesor y la relación Fe/S apropiados. Tal como lo muestran los siguientes ejemplos, un espesor demasiado bajo es insuficiente para garantizar la resistencia al gripado a pesar de una dimensión fractal de al menos igual a 2,6, y un espesor demasiado elevado impide obtener una dimensión fractal de al menos igual a 2,6. Estos parámetros se deberán ajustar experimentalmente, caso por caso.The person skilled in the art will easily determine the appropriate thickness and Fe / S ratio. As the following examples, too low thickness is insufficient to guarantee resistance to seizure despite a dimension fractal of at least 2.6, and too high thickness prevents obtaining a fractal dimension of at least 2.6. These parameters should be adjusted experimentally, case by case.
Ventajosamente, se selecciona el revestimiento entre aquellos cuya superficie tiene una dimensión fractal comprendida entre 2,65 y 2,75.Advantageously, the coating is selected among those whose surface has a fractal dimension between 2.65 and 2.75.
En un modo de realización preferido de la invención, se selecciona el revestimiento entre los que tienen una estequiometría que corresponde a una relación Fe/S comprendida entre 0,69 y 0,85.In a preferred embodiment of the invention, the coating is selected from those with a stoichiometry corresponding to a Fe / S ratio between 0.69 and 0.85.
Favorablemente el revestimiento también se seleccionará entre los que tendrán un espesor inferior a aproximadamente 15 \mum, mejor aún, inferior a aproximadamente 6 \mum.Favorably the lining is also select among those with a thickness less than about 15 µm, better yet, less than about 6 \ mum.
La dimensión fractal se obtiene a partir de un rugosímetro, por ejemplo un rugosímetro 3D de tipo confocal sin contacto cuyas características son las siguientes:The fractal dimension is obtained from a rugosimeter, for example a 3D confocal type rugosimeter without contact whose characteristics are the following:
- Resolución lateral Lateral resolution
- 300 nm300 nm
- Resolución vertical Vertical resolution
- 30 nm30 nm
- Barrido vertical Vertical sweep
- 1 mm1 mm
Los datos obtenidos con la ayuda del rugosímetro se introducen a continuación en un algoritmo de cálculo específico que extrae los valores matemáticos necesarios para la obtención de la dimensión fractal.The data obtained with the help of the rugosimeter are then entered into a specific calculation algorithm which extracts the mathematical values necessary to obtain The fractal dimension.
Hay que señalar que el uso de un rugosímetro de gran resolución es esencial para garantizar una medida precisa de la dimensión fractal. Es también importante utilizar un rugosímetro sin contacto para garantizar que ninguna modificación de la morfología de superficie se produjo durante la medida de los perfiles de rugosidad.It should be noted that the use of a rugosimeter of High resolution is essential to ensure an accurate measurement of The fractal dimension. It is also important to use a rugometer contactless to ensure that no modification of the surface morphology occurred during the measurement of roughness profiles.
Los revestimientos de sulfuro de hierro de las piezas de aleación ferrosa se obtienen por tratamientos conocidos por el experto en la técnica, por ejemplo por sulfuración electrolítica en baño de sales fundidas según la solicitud de patente francesa nº 1.406.530, o bien sulfuración en una salmuera o también sulfuración en baño de sales tal como la firma solicitante lo demostró en sus experimentaciones.The iron sulfide coatings of the Ferrous alloy parts are obtained by known treatments by one skilled in the art, for example by sulfurization bath electrolytic of molten salts according to the request of French Patent No. 1,406,530, or sulfurization in a brine or also salt bath sulfurization such as the requesting firm He proved it in his experiments.
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Los Ejemplos siguientes ilustran la invención de manera no limitativa.The following Examples illustrate the invention of non-limiting way.
Probetas cilíndricas (cilindros) de diámetro 6,35 mm y de altura 40 mm de acero 16 NC6 cementado templado rectificado se han tratado en las condiciones siguientes:Cylindrical probes (cylinders) in diameter 6.35 mm and height 40 mm steel 16 NC6 tempered cemented rectified have been treated under the following conditions:
Condición 1Condition one
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Condición 2Condition 2
Condición 3Condition 3
Después del tratamiento, las probetas incluyen un revestimiento de sulfuro de hierro. Las probetas se engrasan a continuación luego se someten al ensayo en máquina FAVILLE LEVALLY (según ASTM-D-2670) haciendo girar el cilindro tratado entre dos trozos de acero 16NC6 cementado y templado sin tratamiento suplementario. El ensayo consiste en hacer crecer la carga aplicada sobre el cilindro hasta la aparición del gripado. Se determinan entonces la carga de gripado, los ensayos han sido reproducidos 5 veces con el fin de evaluar la carga media de gripado así como la dispersión de medida.After treatment, the specimens include an iron sulfide coating. The specimens are greased to then they undergo the FAVILLE LEVALLY machine test (according to ASTM-D-2670) spinning the cylinder treated between two pieces of cemented 16NC6 steel and temperate without supplementary treatment. The essay consists in doing increase the load applied on the cylinder until the appearance of the flu The seizure load is then determined, the tests have been reproduced 5 times in order to evaluate the average load of seizure as well as the dispersion of measurement.
Se caracteriza cada cilindro antes de los ensayos con el fin de determinar el tamaño fractal de la superficie del revestimiento después del tratamiento. La dimensión fractal se obtiene a partir de un rugosímetro 3D de tipo confocal sin contacto cuyas características son las siguientes:Each cylinder is characterized before tests in order to determine the fractal size of the surface of the coating after treatment. The fractal dimension is obtained from a contactless 3D confocal type rugosimeter whose characteristics are the following:
- Resolución lateral Lateral resolution
- 300 nm300 nm
- Resolución vertical Vertical resolution
- 30 nm30 nm
- Barrido vertical Vertical sweep
- 1 mm1 mm
Los datos obtenidos con la ayuda del rugosímetro se introducen a continuación en un algoritmo de cálculo específico que extrae los valores matemáticos necesarios para la obtención de la dimensión fractal.The data obtained with the help of the rugosimeter are then entered into a specific calculation algorithm which extracts the mathematical values necessary to obtain The fractal dimension.
Según la invención, se seleccionan los revestimientos cuya superficie tiene una dimensión fractal al menos igual a 2,6.According to the invention, the coatings whose surface has a fractal dimension at least equal to 2.6.
Los resultados obtenidos se agrupan en la tabla I siguiente y se compara, en las mismas condiciones de ensayo. Con carácter comparativo, probetas no tratadas se gripan a partir del comienzo del ensayo.The results obtained are grouped in the table I next and compare, under the same test conditions. With comparative character, untreated specimens are seized from trial start
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Las piezas (cilindros) conformes a la invención presentan una carga de gripado según el ensayo con máquina FAVILLE LEVALLY según la norma ASTM-D-2670 al menos igual a aproximadamente 3.000 daN.The parts (cylinders) according to the invention have a load of seizure according to the FAVILLE machine test LEVALLY according to ASTM-D-2670 at least equal to approximately 3,000 daN.
Se observa por otro lado que los cilindros revestidos de sulfuro de hierro conforme a la invención tienen una carga de gripado de aproximadamente 3 veces superior a los mejores resultados obtenidos hasta entonces con sulfuro de hierro poco fractal.It is observed on the other hand that the cylinders iron sulfide coated according to the invention have a seizure load approximately 3 times higher than the best results obtained until then with little iron sulfide fractal
Por otra parte, la dispersión de los resultados es 4 veces mayor cuando el sulfuro de hierro tiene un valor (dimensión) fractal superior a 2,6.On the other hand, the dispersion of the results It is 4 times higher when iron sulfide has a value (dimension) fractal greater than 2.6.
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Se condujeron algunas pruebas según la norma DIN 51350 (piezas 1 a 5) en máquina denominada "máquina de 4 bolas" para completar las ensayos de gripado y verificar la influencia de le relación Fe/S y del espesor de la capa de sulfuro de hierro.Some tests were conducted according to DIN standard 51350 (parts 1 to 5) in machine called "machine of 4 balls "to complete the testing of flu and check the influence of the Fe / S ratio and the sulfide layer thickness of iron.
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Se trataron discos de acero 15 CrMo_{4} cementado templado para HRC 60 de diámetro 60 mm y de espesor 10 mm en las condiciones 1, 2 y 3 descritas en el ejemplo 1 y una condición suplementaria descrita a continuación:Steel discs 15 CrMo4 were treated hardened cemented for HRC 60 with a diameter of 60 mm and a thickness of 10 mm under conditions 1, 2 and 3 described in example 1 and a supplementary condition described below:
Condición 4Condition 4
Después del tratamiento, las piezas incluyen un revestimiento de sulfuro de hierro.After treatment, the pieces include a iron sulfide coating.
Los ensayos se conducen en un baño de hidrocarburo puro a 60ºC. Las cargas medias de gripado y las dispersiones obtenidas con 5 ensayos se agrupan en la tabla siguiente. La dimensión fractal de la superficie del revestimiento se midió con ayuda del mismo dispositivo que el describe en el Ejemplo 1. Los resultados se presentan en la tabla II.Rehearsals are conducted in a restroom pure hydrocarbon at 60 ° C. The average seizure loads and dispersions obtained with 5 tests are grouped in the table next. The fractal dimension of the coating surface it was measured with the help of the same device as described in the Example 1. The results are presented in Table II.
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Según la invención, se seleccionan los revestimientos entre aquellos cuya superficie tiene una dimensión fractal al menos igual a 2,6.According to the invention, the coatings between those whose surface has a dimension fractal at least 2.6.
Se constata que seleccionando, por otro lado, piezas que tienen un revestimiento cuya relación Fe/S esté en la meseta 0,69 a 0,85 la carga de gripado y la dispersión no se ven afectadas. Lo mismo ocurre con espesores del revestimiento comprendidos entre 1,5 y 15 \mum. En cambio, un espesor de 0,5 \mum es insuficiente para garantizar una resistencia al gripado, y, para un espesor de 20 \mum no es posible obtener sulfuro de hierro de dimensión fractal al menos igual a 2,6.It is found that by selecting, on the other hand, parts that have a coating whose Fe / S ratio is in the plateau 0.69 to 0.85 the seizure load and dispersion are not seen affected. The same goes for coating thicknesses. between 1.5 and 15 µm. Instead, a thickness of 0.5 \ mum is insufficient to guarantee resistance to seizure, and, for a thickness of 20 µm it is not possible to obtain sulfide of iron of fractal dimension at least equal to 2.6.
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Para caracterizar la pertinencia de la selección de las piezas que tienen un revestimiento de sulfuro de hierro fractal para soportar condiciones difíciles de contactos con lubricación aleatoria, se condujo un ensayo de simulación haciendo deslizar dos cilindros de diámetro idéntico uno contra el otro a una velocidad de 5 m.s^{-1} bajo una presión de 1200 MPa. Se abastece el contacto de aceite 600 NS a 80ºC (16 cSt) durante la fase de rodaje de 1 hora luego se detiene la lubricación. Se vuelve a poner la lubricación en servicio en cuanto el coeficiente de fricción alcance el valor crítico de 0,085 (fricción en lubricación límite) luego se para de nuevo cuando éste alcanza un valor estabilizado en torno a 0,04. Se repite la operación a continuación y se contabiliza el número de ciclos antes del gripado irreversible.To characterize the relevance of the selection of parts that have an iron sulfide coating fractal to withstand difficult contact conditions with random lubrication, a simulation test was conducted doing slide two cylinders of identical diameter against each other to a speed of 5 m.s -1 under a pressure of 1200 MPa. It is supplied the oil contact 600 NS at 80 ° C (16 cSt) during the phase of 1 hour shooting then lubrication stops. It gets back on in-service lubrication as regards the coefficient of friction reach the critical value of 0.085 (friction in limit lubrication) then it stops again when it reaches a stabilized value at around 0.04. The operation is repeated below and counts the number of cycles before irreversible seizure.
Se trataron los cilindros y se seleccionaron y
en las condiciones 1, 2 y 3 descritas anteriormente. Se midió la
dimen-
sión fractal de la superficie del revestimiento de
cada cilindro con la ayuda del dispositivo descrito en el Ejemplo
1.The cylinders were treated and selected and under conditions 1, 2 and 3 described above. The dimension was measured
Fractal sion of the lining surface of each cylinder with the help of the device described in Example 1.
Los resultados obtenidos se recogen en la tabla III.The results obtained are shown in the table III.
Según la invención, se seleccionan los revestimientos entre aquellos cuya superficie tiene una dimensión fractal al menos igual a 2,6.According to the invention, the coatings between those whose surface has a dimension fractal at least 2.6.
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